基于光纖技術(shù)的煤礦通信系統(tǒng)分析

孫明智

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司大數(shù)據(jù)中心，山西 太原 030053）

引言

我國目前的煤礦通信系統(tǒng)還是以有線通信系統(tǒng)為主，但通信系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，需要借助電纜進(jìn)行通信信號傳輸，由于井下作業(yè)環(huán)境十分惡劣，電纜長期處于潮濕的環(huán)境下，很可能出現(xiàn)被腐蝕或者受損現(xiàn)象，這極易威脅通信質(zhì)量。在煤礦生產(chǎn)中，通信系統(tǒng)發(fā)揮著聯(lián)系井上人員和井下人員的重要作用，是保障安全高效生產(chǎn)的重要系統(tǒng)。一旦出現(xiàn)通信中斷的問題，必定會影響井下作業(yè)效率和作業(yè)安全?；诖?，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者提出設(shè)計自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)的理念。實(shí)踐證明，該通信系統(tǒng)能夠滿足遠(yuǎn)距離通信要求，但實(shí)際應(yīng)用中該系統(tǒng)極易受到提升機(jī)設(shè)備的干擾影響，產(chǎn)生通信質(zhì)量不佳的問題。而光纖通信技術(shù)的抗干擾能力較強(qiáng)，且能改變電纜傳輸?shù)木窒扌?。因此，急需針對光纖通信系統(tǒng)的建設(shè)方法展開研究。

1 光纖通信系統(tǒng)的通信原理

光纖通信系統(tǒng)的信號傳輸過程如圖1 所示。

如圖1 所示，先由發(fā)射端發(fā)送被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕男畔ⅲ笥芍欣^器接收電信號并使電信號投放于激光束上，讓電信號的變化頻率與光的強(qiáng)度保持一致狀態(tài)，再由光纖傳輸電信號，在接收端完成信號接收和放大處理，最后將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w通信信息直接輸出。在當(dāng)前的煤礦生產(chǎn)中，對通信質(zhì)量的要求較高，光纖通信既能滿足大量數(shù)據(jù)的實(shí)時通信要求，又能保障信息處理的高效性，可以有效彌補(bǔ)在傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中的不足，因此可以被作為首先通信技術(shù)。

2 光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

光纖通信系統(tǒng)組成如圖2 所示。

光纖通信系統(tǒng)組成包括電端機(jī)、光發(fā)信機(jī)、中繼器、光收信機(jī)和電端機(jī)等，其中，光發(fā)信機(jī)的作用是對電信號和光信號進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換，主要由調(diào)制器和光源共同組成，主要用于對電信號的有效轉(zhuǎn)換，并將已經(jīng)調(diào)好的光信號號耦合到光纖中進(jìn)行傳輸。這里所應(yīng)用的電端機(jī)可以被看作電子通信設(shè)備；中繼器主要由光源、判決再生電路和光檢器共同組成，其作用主要表現(xiàn)為兩個方面，一方面用于補(bǔ)償光纖傳輸時的衰減信號，一方面用于對失真的波形進(jìn)行整形操作；光收信機(jī)與光發(fā)信機(jī)的作用相同，均可完成對電信號和光信號的轉(zhuǎn)換，主要由光放大器和光檢測器共同組成，在系統(tǒng)運(yùn)行中是先接收光信號，再將其轉(zhuǎn)換為電信號，最后將傳輸之后變得微弱的電信號進(jìn)行放大處理，傳輸至接收端[1]。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)光纖通信技術(shù)的選擇。由于礦井通信的要求較為特殊，在面臨較為復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境時，通信質(zhì)量極易受到周邊環(huán)境影響，致使出現(xiàn)通信失真的問題?；诖祟悊栴}，在設(shè)計通信系統(tǒng)時，需要優(yōu)先考慮如何提升通信系統(tǒng)的抗干擾能力。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均衡器屬于自適應(yīng)譯碼器的一種，其主要作用為支持對非線性光纖通信信號的補(bǔ)償，可以有效降低通信失真問題對礦井通信質(zhì)量的影響。均衡器應(yīng)用的過程中分為三個層級，主要包括輸入層、輸出層和隱含層，其中的輸出層僅有一個節(jié)點(diǎn)，而隱含層則包含n個節(jié)點(diǎn)，這里將輸入向量和輸出向量分別設(shè)置成X和Y，并將隱含層的非線性激活函數(shù)設(shè)置為gh（），當(dāng)輸入節(jié)點(diǎn)為k 時，其輸入向量則為xk，計算此函數(shù)隱含層節(jié)點(diǎn)的和時的計算公式如下：

均衡器輸出向量公式如下：

其中的xi屬于i 隱含節(jié)點(diǎn)輸入向量。進(jìn)行上述訓(xùn)練的主要目的是找到最后集合，保障光纖通信的均衡性。為使均衡器的應(yīng)用效果能夠滿足礦井通信系統(tǒng)較為復(fù)雜的通信環(huán)境，還需進(jìn)行多次調(diào)試，做到對均衡器模式的有效調(diào)整，確保當(dāng)通信過程中，受到外部環(huán)境干擾，出現(xiàn)通信信號失真問題時，可以借助均衡器及時補(bǔ)償電信號，從根本上提升通信可靠性。

2）數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計。當(dāng)通過訓(xùn)練確定好人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的最佳值后，則可利用均衡器實(shí)現(xiàn)對煤礦井下通信數(shù)據(jù)的高效穩(wěn)定傳輸。但需要特別注意的是，煤礦井下作業(yè)的條件十分復(fù)雜，很可能發(fā)生突發(fā)的干擾問題，致使出現(xiàn)通信信號不穩(wěn)的現(xiàn)象。此時，也可借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均衡器的自適應(yīng)能力進(jìn)行重新訓(xùn)練與調(diào)整，使其滿足不同環(huán)境下的通信需求。需要注意的是，受到井下作業(yè)環(huán)境的影響，光纖色也呈現(xiàn)出不規(guī)律的形式，此時同樣可以借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均衡器的補(bǔ)償作用對光纖通信的色散進(jìn)行補(bǔ)償，保障光纖信號的傳輸效果[2]。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該光纖通信系統(tǒng)的通信效果，借助光學(xué)仿真軟件通過對程序的有效編寫對系統(tǒng)通信能力進(jìn)行驗(yàn)證。在仿真軟件中通過對不同煤礦作業(yè)環(huán)境的模擬，如對噪聲、干擾信息以及傳輸距離等的分別設(shè)置，驗(yàn)證在不同環(huán)境下的通信效果。這里是借助示波器將仿真軟件中的通信語音信號以波形的方式呈現(xiàn)出來，通過對比輸入時的通信語音信號波形和輸出時的通信語音信號波形來判斷該光纖通信系統(tǒng)的通信效果。輸入和輸出時的通信語音信號波形如圖3 所示。

對比圖中的3-1 圖和3-2 圖的信號波形差異來看，輸入和輸出的信號波形差異較小，甚至可以忽略不計，這表示該光纖通信系統(tǒng)在較為惡劣的作業(yè)環(huán)境中也能保持良好的通信信號傳輸效果，究其原因是由于其中應(yīng)用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均衡器，其可根據(jù)光纖通信系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行自主調(diào)試，強(qiáng)大的自適應(yīng)能力能夠?qū)崿F(xiàn)對通信信號和光纖通信色散的有效補(bǔ)償，盡可能維持較好的通信效果。另外，光纖通信系統(tǒng)本身也較于電纜信號傳輸方式表現(xiàn)出了更強(qiáng)的信號傳輸穩(wěn)定性，能夠有效規(guī)避由于電纜受損問題帶來的信號失真和通信中斷等問題，無論是從環(huán)境適應(yīng)能力上，還是從信號傳輸可靠性方面來看，光纖通信系統(tǒng)均屬于煤礦通信中的首選。一些已有的應(yīng)用實(shí)踐也表明，光纖通信系統(tǒng)具備通信誤碼率低、信號失真率低和信號傳輸延時率小的特性，在一些長距離的通信作業(yè)中也表現(xiàn)出了信號傳輸效果好的特性，這也充分證實(shí)了光纖通信系統(tǒng)更為適宜應(yīng)用于礦井這種惡劣的通信環(huán)境中。

4 結(jié)語

圍繞光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用原理和系統(tǒng)組成進(jìn)行分析，并探究了應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高通信系統(tǒng)自適應(yīng)能力的方法，最后通過仿真驗(yàn)證了該光纖通信系統(tǒng)的通信效果。結(jié)果表明，在輸入和輸出前后的通信語音信號變化較小，這意味著在通信信號傳輸過程中，并未因環(huán)境問題產(chǎn)生信號失真的現(xiàn)象。因此，證實(shí)該系統(tǒng)具備較好的環(huán)境適應(yīng)能力，可以被應(yīng)用于煤礦通信工作中，保持井下和井上的有效溝通，為礦井開采安全提供保障。